Wie viele Menschen müssen sich gegen COVID-19 impfen lassen, um das Coronavirus zu stoppen?

Es ist seit einiger Zeit klar, dass zumindest in den USA der einzige Weg aus der Coronavirus-Pandemie die Impfung sein wird. Die rasche Einführung von Coronavirus-Impfstoffen ist im Gange, aber wie viele Menschen müssen geimpft werden, um diese Pandemie unter Kontrolle zu bringen?

Ich bin Computerbiologe, der an der Universität von Connecticut Daten und Computermodelle verwendet, um biologische Fragen zu beantworten. Ich habe die COVID-19-Epidemie in meinem Bundesstaat mit einem Computermodell verfolgt, um die Zahl der Krankenhausaufenthalte im John Dempsey Hospital der Universität von Connecticut vorherzusagen.

Diese Art von Computermodell und die zugrunde liegende Theorie können auch zur Berechnung der Impfquoten verwendet werden, die erforderlich sind, um die Übertragungskette des Coronavirus zu unterbrechen. Ich schätze, dass in den gesamten USA etwa 70 % der Bevölkerung geimpft werden müssen, um die Pandemie zu stoppen. Aber das unterschiedliche Verhalten der Menschen in den verschiedenen Teilen des Landes sowie die offene Frage, ob der Impfstoff die Infektion vollständig verhindert oder nur verhindert, dass die Menschen krank werden, tragen zu einer gewissen Unsicherheit bei.

Übertragungsunterbrechung

Klinische Studien haben gezeigt, dass eine Person, die einmal gegen das Coronavirus geimpft wurde, nicht mehr an COVID-19 erkranken wird. Eine Person, die nicht erkrankt, kann dennoch mit dem Coronavirus infiziert werden. Wir gehen aber auch davon aus, dass eine geimpfte Person das Virus nicht auf andere übertragen kann, obwohl die Forscher noch nicht wissen, ob das stimmt.

Wenn genügend Menschen geimpft sind, hat es das Virus schwer, neue Menschen zu infizieren, und die Epidemie stirbt aus. Und es müssen nicht alle geimpft werden, sondern nur so viele, dass das Virus nicht außer Kontrolle gerät. Die Anzahl der Menschen, die geimpft werden müssen, wird als kritische Impfquote bezeichnet. Sobald eine Bevölkerung diese Zahl erreicht, tritt Herdenimmunität ein. Von Herdenimmunität spricht man, wenn so viele Menschen geimpft sind, dass eine infizierte Person kaum jemanden findet, der sich anstecken könnte, so dass sich das Virus nicht auf andere Menschen ausbreiten kann, was sehr wichtig ist, um Menschen zu schützen, die sich nicht impfen lassen können.

Die kritische Impfquote hängt davon ab, wie ansteckend die Krankheit ist und wie wirksam der Impfstoff ist. Die Ansteckungsfähigkeit wird anhand der Basisreproduktionszahl – R0 – gemessen, die angibt, auf wie viele Personen eine infizierte Person das Virus im Durchschnitt übertragen würde, wenn keine Schutzmaßnahmen vorhanden wären.

Je infektiöser eine Krankheit ist, desto größer ist die Zahl der Personen, die geimpft werden müssen, um eine angeborene Immunität zu erreichen. Je höher die Wirksamkeit des Impfstoffs, desto weniger Menschen müssen geimpft werden.

Nicht überall gleich

R0-Werte unterscheiden sich von Ort zu Ort, weil sich die Bevölkerung unterschiedlich verhält – soziale Interaktionen sind auf dem Land und in der Stadt nicht gleich, ebenso wenig wie in warmen oder kalten Klimazonen, zum Beispiel.

Unter Verwendung der Daten über positive Fälle, Krankenhausaufenthalte und Todesfälle schätzt mein Modell, dass Connecticut derzeit einen R0-Wert von 2,88 hat, was bedeutet, dass im Durchschnitt jede infizierte Person das Virus an 2,88 andere Personen weitergeben würde, wenn es keine Maßnahmen zur Eindämmung gäbe. Die Schätzungen auf Bezirksebene reichen von 1,44 im ländlichen Alpine, Kalifornien, bis zu 4,31 im städtischen Hudson, New Jersey.

Einen R0-Wert für die gesamten USA zu finden, ist jedoch besonders schwierig, da es unterschiedliche Klimazonen gibt und das Virus verschiedene Gebiete zu unterschiedlichen Zeiten befallen hat – das Verhalten war alles andere als einheitlich. Die Schätzungen reichen von 2,47 bis 8,2, obwohl die meisten Forscher den R0-Wert für die gesamten USA auf etwa 3 schätzen.

Während der R0-Wert je nach Ort und Schätzung variiert, ist die Wirksamkeit der Impfstoffe konstant und gut bekannt. Die Impfstoffe von Pfizer-BioNTech und Moderna sind zu 95 % bzw. 94,5 % wirksam bei der Prävention von COVID-19.

Mit Hilfe der Werte für die Wirksamkeit der Impfstoffe und des R0 können wir die kritische Impfquote berechnen. Für Connecticut mit einem R0 von 2,88 müssen 69 % der Bevölkerung geimpft werden. Für die gesamten USA, mit einem R0 von 3, wären dies 70 %. In New York City, mit einem geschätzten R0 von 4,26, wären es 80 %.

Eine Menge Unsicherheit

Während die Rechnung relativ einfach ist, werden die Dinge kompliziert, wenn man wichtige Fragen betrachtet, auf die Epidemiologen noch keine Antworten haben.

Erstens geht die Formel für die kritische Impfquote von einer zufälligen Interaktion zwischen Menschen aus. In der realen Welt interagieren die Menschen jedoch in stark strukturierten Netzwerken, die von der Arbeit, Reisen und sozialen Verbindungen abhängen. Wenn diese Kontaktmuster berücksichtigt werden, haben einige Forscher festgestellt, dass die kritische Impfquote deutlich niedriger ist, als wenn man von zufälligen Interaktionen ausgeht.

Unglücklicherweise könnten andere Unbekannte einen gegenteiligen Effekt haben.

Impfstudien zeigen eindeutig, dass geimpfte Menschen nicht an COVID-19 erkranken. Aber es ist immer noch unbekannt, ob die Impfstoffe verhindern, dass Menschen leichte Infektionen bekommen, die sie an andere weitergeben könnten. Wenn geimpfte Menschen immer noch infiziert werden und das Virus weitergeben können, dann bietet die Impfung keine Herdenimmunität – obwohl sie immer noch schwere Krankheiten verhindern und die Sterblichkeit drastisch reduzieren würde.

Eine letzte Frage, die noch beantwortet werden muss, ist, wie lange die Immunität gegen das Coronavirus anhält, nachdem eine Person geimpft wurde. Wenn die Immunität nach einigen Monaten nachlässt, muss jeder Einzelne wiederholt geimpft werden.

Es ist schwer, mit Sicherheit zu sagen, wie viele Menschen geimpft werden müssen, um diese Pandemie zu beenden. Dennoch ist die Ankunft der COVID-19-Impfstoffe die beste Nachricht im Jahr 2020. Im Jahr 2021, wenn ein großer Teil der Menschen in den USA den Impfstoff erhalten hat, wird sich das Land auf die kritische Impfquote zubewegen – wie hoch sie auch immer sein mag -, so dass das Leben wieder zur Normalität zurückkehren kann.